10G以太网技术简介

南京欣网视讯科技股份有限公司 郑伟  

南京邮电学院 江凌云   

中国电信集团公司计划建设部 马武

    尽管目前IEEE802.3z版的千兆以太网具有容量大、价格合理、普及率高等优点，但为了实现双向复用操作它需要使用一对光纤，而且标准规定了其应用范围是5公里。实际上，现在的以太网交换机采用了性能更高的光电转换器，已经将光纤的传输距离延伸至几十公里。

    随着传输网络的发展，10G以太网技术渐渐引起了人们的注意，这种高速以太网技术适用于各种网络结构，能够简单、经济地构建各种速率的网络，可以满足骨干网大容量传输的需求，解决了窄带接入、宽带传输的瓶颈问题，并与现行以太网技术兼容。2000年末已经为通往WAN作好了相应的技术储备。此外，由于LAN、MAN和WAN采用同一种核心技术，网络易于管理和维护，同时避免了协议转换，实现了LAN、MAN和WAN的无缝连接。10G以太网赢得青睐的真正原因是，它比ATM和SONET的价位低，在MAN和WAN中应用10G以太网技术，比采用ATM/SONET技术构建的类似MAN和WAN费用低25%。预计10G以太网的每端口价格是单个千兆比端口价格的8.3倍。这就是说，买一个10G以太网端口比买10个千兆比端口节省17%的费用。据IDC预测，到2004年10G以太网的市场将达10亿美元。然而，10G以太网缺少SONET的链路管理能力，无法排除链路故障。有人建议用数字封装法来传递以太网帧，使之具备链路管理能力，但这将增加成本和复杂性。所以，在长距离传输下，SONET有其优势，但以太网处理突发数据和网状网的能力比SONET强。

    自1999年以来，IEEE802.3 HSSG（High Speed Study
Group）小组专门研究10G标准——802.3ae。其目标是完善802.3协议，将以太网应用扩展到广域网，提高带宽，兼容现有的802.3接口，并与原有的网络操作和网络管理保持一致。IEEE
802.3ae任务组基于一个既能与WAN兼容，又能与LAN兼容的协议，起草了关于10G以太网的标准草案，2000年底进行了现场试验。今年第一季度已由Foundry、北电网络、3Com和Extreme
Networks等公司推出了标准前的商用产品。

    10G以太网分层体系结构如图1所示。尽管10G以太网是在以太网技术的基础上发展起来的，但是，由于工作速率的大幅度提升，适用范围有了显著的变化，与原来的以太网技术相比差异很大，主要表现在：物理层实现方式、帧格式、MAC层的工作速率以及适配策略。

10G以太网的

    两种物理层

    由于10G以太网既可以作LAN使用，也可以当作WAN使用，而LAN和WAN之间由于工作环境不同，对于各项指标的要求存在许多的差异，主要表现在时钟抖动、BER（比特误码率）、QoS、速率等的要求不同。为此，IEEE802.3
HSSG小组制订了两种不同的物理介质标准，分别用于以太局域网和以太广域网。这两种物理层的共同点是：共用一个MAC层；仅支持全双工操作方式；省略了CSMA/CD；采用光纤作为物理介质。

    10G以太局域网物理层特点：支持IEEE802.3 MAC全双工方式；MAC时钟可以选择1G或者10G方式，允许以太网复用设备同时携带10路1G信号；帧格式与传统以太网的帧格式一致，工作速率为10Gb/s。10G以太局域网可由现有的以太局域网以最小的代价升级，并与传统以太网的10/100/1000Mb/s速率兼容，使局域网的传输范围最高可达40公里。

    10G以太广域网物理层的特点：由于以太局域网采用以太网帧格式，传输速率为10Gb/s，而10G以太广域网采用OC-192c(STS-192c)帧格式在线路上传输，传输速率为9.58464Gb/s，故10G以太广域网MAC层有速率匹配功能。为了获得9.58464Gb/s的传输速率，IEEE802.3ae标准小组定义了一种机制来降低以太网MAC帧的速率，使得10G以太网可以使用OC-192c信道，通过10GMII接口提供9.58464Gb/s的有效速率，线路比特误码率为10-12。它能与OC-192c的SONET再生器协同工作，并利用OC-192c帧格式与现有的网络兼容。当物理介质采用单模光纤时，传输距离可达300km；采用多模光纤时，传输距离可达40km。10G以太广域网物理层可以选择多种编码方式：

（1）仍采用以太网的8B/10B编码；

（2）采用新的编码策略MB810；

（3）使用一个扰码多项式；

（4）使用两个扰码多项式。

    在NORTEL和AMCC公司向IEEE802.3 HSSG提交的10G以太广域网物理层的建议中，10G以太广域网物理层采用两个扰码多项式，其结构如图2所示。

    在PCS层提供从10GMII到PMA的映射并进行MAC帧定界。为了避免伪帧定界，PCS层对MAC帧的前8个字节进行×43+1的自同步扰码，这样可以避免信息字段中出现物理层帧的帧定位字节，而且如果恶意用户要对信息数据进行攻击，则必须要知道扰码器的状态，而猜中的概率仅为1/243，从而加强了数据的安全性。而且使用扰码器后，将降低传输中的信息数据出现长连“0”或长连“1”的概率，提高了接收端时钟的恢复能力。信息数据在广域网中传输时，为了达到9.58464Gb/s的速率，采用的方法是将许多传统以太网帧映射到一个OC-192c中。为了使接收端能够将同一个OC-192c中不同的以太网帧正确区分开，采用HEC(Header
Error Control)的定界策略，PMA层将PCS层送来的业务数据装入OC-192c帧中，为了提高接收端线路时钟的恢复能力，在PMA层对整个帧以×7+×6+1多项式进行帧同步扰码，最后将扰码后的信号放在光纤介质上传输。连接局域网和广域网的网桥完成物理层转换功能，如图3所示。标准同时也定义了几种其它的物理层规范。

修改的以太网

MAC帧格式

    由于10G以太网实质上是高速以太网，所以为了与传统的以太网兼容必须采用传统以太网的帧格式承载业务。为了达到10Gb/s的高速率，并实现与骨干网的无缝连接，NORTEL公司的建议中提出在线路上采用OC-192c帧格式传输。这就需要在物理子层实现从以太网帧到OC-192c帧格式的映射功能。同时，由于以太网的原设计是面向局域网的，网络管理功能较弱，传输距离短并且其物理线路没有任何保护措施。当以太网作为广域网进行长距离、高速率传输时必然会导致线路信号频率和相位产生较大的抖动，而且以太网的传输是异步的，在接收端实现信号同步比较困难。因此，如果以太网帧要在广域网中传输，需要对以太网帧格式进行修改。

    以太网一般是利用物理层中特殊的10B(Byte)代码实现帧定界的。当MAC层有数据需要发送时，PCS子层对这些数据进行8B/10B编码，当发现帧头和帧尾时，自动添加特殊的码组SFD(帧起始定界符)和EFD（帧结束定界符）；当PCS子层收到来自底层的10B编码数据时，可很容易地根据SFD和EFD找到帧的起始和结束从而完成帧定界。但是SDH中承载的千兆以太网帧定界不同于标准的千兆以太网帧定界，因为复用的数据已经恢复成8B编码的码组，去掉了SFD和EFD。如果只利用千兆以太网的前导(Preamble)和帧起始定界符（SFD）进行帧定界，由于信息数据中出现与前导和帧起始定界符相同码组的概率较大，采用这样的帧定界策略可能会造成接收端始终无法进行正确的以太网帧定界。为了避免上述情况，10G以太网采用了HEC策略。

    IEEE802.3 HSSG小组为此提出了修改千兆以太网帧格式的建议，在以太网帧中添加了长度域和HEC域。为了在定帧过程中方便查找下一个帧位置，同时由于最大帧长为1518字节，则最少需要11个比特（=2048），所以在复接MAC帧的过程中用两个字节替换前导头两个字节作为长度字段，然后对这8个字节进行CRC-16校验，将最后得到的两个字节作为HEC插入SFD之后。修改后的MAC帧的字节安排如图4所示。其中第一个长度域表示的值是修改后的MAC帧长。

    10G WAN物理层并不是简单的将以太网MAC帧用OC-192c承载，虽然借鉴了OC-192c的块状帧结构、指针、映射以及分层的开销。但是在SDH帧结构的基础上做了大量的简化，使得修改后的以太网对抖动不敏感，对时钟的要求不高。我们仍然可以采用SDH作为底层传输以太网信息数据。具体表现在：减少了许多开销字节，仅采用了帧定位字节A1和A2、段层误码监视B1、踪迹字节J0、同步状态字节S1、保护倒换字节K1和K2以及备用字节Z0，对没有定义或没有使用的字节填充00000000。减少了许多不必要的开销，简化了SDH帧结构，与千兆以太网相比，增强了物理层的网络管理和维护，在物理线路上实现保护倒换。其次，避免了繁琐的同步复用，信号不是从低速率复用成高速率流，而是直接映射到OC-192c净负荷中。10G以太广域网中采用的以太网帧到SDH
OC-192c帧的映射过程如图5所示。

10G以太网和

SDH的速率适配

    10G以太局域网和10G以太广域网（采用OC-192c）物理层的速率不同，10G以太局域网的数据率为10Gb/s,而10G以太广域网的数据率为9.58464Gb/s（SDH 
OC-192c，是PCS层未编码前的速率），但是两种速率的物理层共用一个MAC层，MAC层的工作速率为10Gb/s。采用什么样的调整策略将10GMII接口的10Gb/s传输速率降低，使之与物理层的传输速率9.58464Gb/s相匹配，是10G以太广域网需要解决的问题。目前将10Gb/s速率适配为9.58464Gb/s的OC-192c的调整策略有3种：

* 在GMII接口处发送HOLD信号，MAC层在一个时钟周期停止发送；

* 利用“Busy idle”，物理层向MAC层在IPG期间发送“Busy
idle”，MAC层收到后，暂停发送数据。物理层向MAC层在IPG期间发送“Normal idle”, MAC层收到后，重新发送数据；

* 采用IPG延长机制：MAC帧每次传完一帧，根据平均数据速率动态调整IPG间隔。